Wasser

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Hintergrund

Wasser ist eine chemische Verbindung, die von den meisten Pflanzen und Tieren auf der Erde benötigt wird, um das Leben zu erhalten. Reines Wasser ist eine geschmacklose, geruchlose, transparente Flüssigkeit. In geringen Mengen ist es farblos, in größeren Mengen nimmt es jedoch einen bläulichen Farbton an. Wasser ist ein ausgezeichnetes Lösungsmittel und enthält daher normalerweise eine Vielzahl von gelösten Mineralien und anderen Chemikalien. Es kann auch Bakterien tragen und unterstützen. Das meiste Wasser, das über kommunale Wassersysteme verteilt wird, wird aufbereitet, um Schadstoffe zu entfernen. Einige abgefüllte Wässer werden noch weiter behandelt, um fast alle Verunreinigungen zu entfernen. Das englische Wort Wasser leitet sich vom deutschen Wort wasser, . ab was wiederum von einem alten indoeuropäischen Wort abgeleitet ist, das nass oder waschen bedeutet.

Der kontrollierte Gebrauch von Wasser geht auf mindestens 8.000 v. Chr. zurück. als Bauern in Ägypten und Teilen Asiens Flutwasser zur Bewässerung von Pflanzen einschlossen. Das Konzept, Bewässerungskanäle zu verwenden, um Wasser zu den Pflanzen zu bringen, anstatt auf eine Überschwemmung zu warten, wurde erstmals um 2.000 v. Chr. entwickelt. in Ägypten und Peru. Um etwa 1.000 v. Chr. , hat die Stadt Karcho im heutigen Jordanien zwei Aquädukte gebaut, um die Bevölkerung der Stadt mit ausreichend Wasser zu versorgen. Dies ist der erste dokumentierte Fall einer geplanten kommunalen Wasserversorgung.

Die frühe Wasseraufbereitung war überraschend weit fortgeschritten, wenn auch selten praktiziert. Ein altes Sanskrit-Manuskript aus dem heutigen Indien rät, Trinkwasser in Kupfergefäßen aufzubewahren, dem Sonnenlicht auszusetzen und durch Holzkohle zu filtern. Alte ägyptische Inschriften geben ähnliche Ratschläge. Viele dieser Methoden werden auch heute noch verwendet. Um 400 v. Chr. , schlug der griechische Arzt Hippokrates vor, Wasser abzukochen und durch ein Tuch zu gießen. Trotz dieser frühen Hinweise tranken die meisten Menschen unbehandeltes Wasser aus fließenden Bächen oder unterirdischen Brunnen. Solange keine Kontaminationsquellen in der Nähe waren, war dies eine zufriedenstellende Lösung.

Als die Bevölkerung Europas und anderer Teile der zivilisierten Welt wuchs, wurden ihre Wasserquellen zunehmend verseucht. In vielen Städten waren die Flüsse, die als Haupttrinkwasserquellen dienten, so stark mit Abwasser verseucht, dass sie offenen Senkgruben ähnelten. Cholera, Typhus und viele andere durch Wasser übertragene Krankheiten forderten ihren Tribut. Im Jahr 1800 demonstrierte William Cruikshank aus England, dass kleine Chlordosen Keime im Wasser abtöten. In den 1890er Jahren stellten mehrere Gemeinden fest, dass das langsame Filtern von Wasser durch Sandbetten auch das Auftreten von Krankheiten erheblich reduzieren konnte. Der öffentliche Aufschrei nach sauberem Trinkwasser erreichte ein solches Crescendo, dass zu Beginn des 20. Jahrhunderts die meisten größeren Städte der Vereinigten Staaten eine Art Wasseraufbereitungssystem installiert hatten.

Selbst bei der Wasseraufbereitung blieb die Wasserverschmutzung ein ernstes Problem, da immer mehr Industrieabfälle in die Flüsse und Seen des Landes gelangten. Als die gesundheitsschädlichen Auswirkungen von Blei, Arsen, Pestiziden und anderen Chemikalien bekannt wurden, wurde die US-amerikanische Bundesregierung verpflichtet, den Water Pollution Control Act von 1948 zu verabschieden. Dies war die erste umfassende Gesetzgebung zur Definition und Regulierung der Wasserqualität. Es folgten eine Reihe von immer strengeren Anforderungen, die in den aktuellen Wasserqualitätsstandards der Environmental Protection Agency (EPA) gipfelten. Zusätzlich zu den bundesstaatlichen Standards haben die meisten Bundesstaaten ihre eigenen Wasserqualitätsgesetze, und einige Landesgesetze sind strenger als die von der EPA festgelegten.

Wasserarten

Reines Wasser ist eine fast nicht vorhandene Einheit. Das meiste Wasser enthält unterschiedliche Mengen an gelösten Mineralien und Salzen sowie eine Fülle von Schwebstoffen wie Schlamm und mikroskopisch kleinem organischem Material. Verschiedene Arten von Wasser werden nach dem Vorhandensein oder Fehlen dieser Verunreinigungen klassifiziert.

Leitungswasser oder kommunales Wasser wurde einer Reihe von Behandlungen unterzogen, um schädliche Bakterien abzutöten, Sedimente zu entfernen und unangenehme Gerüche zu beseitigen. Es können aus verschiedenen Gründen auch eine oder mehrere Chemikalien hinzugefügt worden sein.

Hartes Wasser enthält hohe Mengen an Calcium- und Magnesiumsalzen. Dies führt dazu, dass Seife Quark bildet. Hartes Wasser wird weiter in temporär hartes Wasser und dauerhaft hartes Wasser unterteilt. Vorübergehend hartes Wasser enthält Bikarbonate von Kalzium und/oder Magnesium, die beim Erhitzen des Wassers zu einer harten Substanz namens Kesselstein reagieren. Kalk kann Warmwasserbereiter und Leitungen verstopfen und Ablagerungen auf Kochutensilien hinterlassen. Dauerhartes Wasser enthält Sulfate, Chloride oder Nitrate von Calcium und/oder Magnesium, die durch Erhitzen nicht beeinflusst werden. Weiches Wasser enthält relativ geringe Mengen an Calcium- und Magnesiumsalzen, obwohl die Definition von "niedrig" unterschiedlich ist. Der Begriff "enthärtetes Wasser" bezieht sich auf hartes Wasser, bei dem genügend Salze chemisch entfernt wurden, um die Bildung von Seifenschaum zu vermeiden. Es ist reich an Natriumchlorid.

Enthält Wasser viele gelöste Mineralien, spricht man von Mineralwasser. Mineralwässer können in fünf Hauptklassen eingeteilt werden:salzhaltig, alkalisch, eisenhaltig, schwefelhaltig und trinkbar. Salzwasser hat einen hohen Gehalt an Natrium- oder Magnesiumsulfat oder Natriumchlorid. Alkalisches Wasser hat eine hohe Salzkonzentration, die ihm einen pH-Wert im Bereich von etwa 7,2 bis 9,5 verleiht, wobei ein pH-Wert von 7 neutral und ein pH-Wert von 14 stark alkalisch ist. Eisenhaltiges Wasser ist reich an Eisen, was ihm eine rostige Farbe verleiht. Schwefelhaltiges Wasser ist reich an Schwefelverbindungen und zeichnet sich durch seinen Geruch nach faulen Eiern aus. Trinkwasser hat einen Mineralgehalt von weniger als 500 Teilen pro Million und wird am häufigsten in Flaschen abgefüllt und als spezielles Trinkwasser verkauft.

Kohlensäurehaltiges Wasser, Sodawasser und Sprudelwasser enthalten alle gelöstes Kohlendioxid. Dies kann natürlich vorkommen, wenn Kalkstein oder andere Karbonatgesteine ​​vorhanden sind, oder das Kohlendioxid kann künstlich unter Druck hinzugefügt werden.

Quellwasser und artesisches Wasser zeichnen sich nur dadurch aus, dass sie ohne Bohren oder Pumpen auf natürliche Weise aus dem Boden fließen. Ansonsten unterscheidet sie sich nicht von Wasser aus anderen Quellen.

Destilliertes Wasser wurde durch ein Verdampfungs-Kondensationsverfahren gereinigt, das die meisten, aber nicht alle Verunreinigungen entfernt. Entionisiertes Wasser wurde durch einen Ionenaustauschprozess gereinigt, der sowohl positive Ionen wie Calcium und Natrium als auch negative Ionen wie Chloride und Bicarbonate entfernt. Es wird manchmal als demineralisiertes Wasser bezeichnet. Gereinigtes Wasser ist kommunales Wasser, das einer Kohlefilterung, Destillation, Entionisierung, Umkehrosmose, UV-Sterilisation oder einer Kombination dieser Verfahren unterzogen wurde, um fast alle Mineralien und chemischen Elemente, sowohl gute als auch schlechte, zu entfernen.

Rohstoffe

Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen, die an ein Sauerstoffatom gebunden sind. Das chemische Symbol ist H ₂ O. Wasser enthält in der Regel auch eine Vielzahl organischer und anorganischer Stoffe in Lösung oder Suspension.

Bei der Aufbereitung von Wasser zur Verwendung in einem kommunalen System können verschiedene Chemikalien zugesetzt werden. Dazu gehören Desinfektionsmittel wie Chlor, Chloramin oder Ozon; Gerinnungsmittel wie Aluminiumsulfat, Eisen(III)-chlorid und verschiedene organische Polymere; Säureneutralisationsmittel wie Natronlauge oder Kalk; und Chemikalien zur Vorbeugung von Karies in Form verschiedener Fluoridverbindungen.

Der Behandlungsprozess

Das konkrete Wasseraufbereitungsverfahren hängt von der beabsichtigten Anwendung ab. Etwas Wasser, wie zum Beispiel das Wasser, das zum Bewässern von Pflanzen verwendet wird, erhält keine Behandlung. Anderes Wasser, beispielsweise das zur Herstellung von Arzneimitteln verwendete Wasser, ist hochrein.

Hier ist eine typische Reihe von Verfahren zur Aufbereitung von kommunalem Wasser zur Verteilung an Haushalte und Unternehmen.

Sammeln

• 1 Das meiste kommunale Wasser stammt aus zwei Quellen:Grundwasser und Oberflächenwasser. Das meiste Grundwasser wird durch Bohren von Brunnen in die unterirdische wasserführende Schicht, den sogenannten Aquifer, angezapft. Ein Teil des Grundwassers entspringt auf natürliche Weise in Form von Quellen. Oberflächenwasser wird durch das Aufstauen von Flüssen hinter Dämmen angezapft. Die Umgebung, die in die Flüsse mündet, wird als Wasserscheide bezeichnet. In vielen Fällen ist der Zugang zu und die Nutzung des Einzugsgebietes eingeschränkt, um eine Kontamination des abfließenden Wassers zu verhindern.
• 2 Vom Brunnen oder Damm wird das Wasser in offenen Kanälen oder geschlossenen Rohren zur Kläranlage geleitet. In einigen Fällen liegt die Wasserversorgung in der Nähe der Gemeinde. In anderen Fällen muss das Wasser viele hundert Meilen (km) transportiert werden, um sein Ziel zu erreichen. Manchmal wird das Wasser in Zwischenspeichern auf dem Weg gespeichert, um sicherzustellen, dass immer ein ausreichender Vorrat für den schwankenden Bedarf einer Stadt zur Verfügung steht.

Desinfektion

• 3 In einigen Wasseraufbereitungsanlagen wird das Wasser zunächst in mehreren Kammern durch Kontakt mit ozonreicher Luft desinfiziert. Dieser Schritt wird von den meisten Werken in Europa verwendet, jedoch nur von wenigen Werken in den USA. Ozon (03) wird gebildet, indem Druckluft durch einen Hochspannungslichtbogen geleitet wird. Dadurch spalten sich einige der Sauerstoffmoleküle (02) in der Luft in zwei Hälften und binden sich wieder an andere Sauerstoffmoleküle, um Ozon zu bilden. Ozon tötet die meisten Keime effektiv ab und zerstört auch Verbindungen, die unangenehmen Geschmack und Geruch verursachen. Es hat jedoch eine relativ kurze Lebensdauer und verbleibt nicht im Wasser, um es während der Lagerung und Verteilung zu schützen. Aus diesem Grund wird dem Wasser am Ende des Aufbereitungsprozesses eine kleine Dosis Chlor oder Chloramin zugesetzt.

Koagulieren/Ausflocken

• 4 Das Wasser durchläuft dann einen Flash-Mixer, in dem Chemikalien, die als Koagulantien bekannt sind, schnell mit dem Wasser vermischt werden. Die Koagulationsmittel verändern die elektrische Ladung um alle im Wasser schwebenden Partikel und bewirken, dass sie sich gegenseitig anziehen und verklumpen oder koagulieren.
• 5 Das Wasser bewegt sich langsam durch eine Reihe von Kammern, wo es durch die wirbelnde Strömung sanft gemischt wird. Während sich das Wasser vermischt, stoßen die geladenen Teilchen weiter aneinander und bilden noch größere Teilchen, die Flocken genannt werden.

Eingewöhnung

• 6 Das Wasser fließt in ein Absetzbecken oder einen Tank, wo die schweren Flocken zu Boden sinken. Einige Absetzbecken haben zwei Ebenen, um ihr Fassungsvermögen zu verdoppeln. Das sich am Boden absetzende Material wird mit einem Gerät wie einem Beckensauger aus dem Becken abgesaugt und in einem Feststoffbehälter abgelegt. Das aufgefangene Material aus dem Filter (Schritt 7) wird auch in das Feststoffhaltebecken gegeben. Diese kombinierten Materialien werden durch einen Schwerkrafteindicker und dann durch eine Presse geschickt, in der das meiste Wasser ausgepresst wird. Die restlichen Feststoffe werden auf Lastwagen verladen und zur Entsorgung auf eine Deponie transportiert.

Filtern

• 7 Das teilgereinigte Wasser durchläuft mehrere Sand- und Kohlenstaubschichten, die im Wasser verbleibende Kleinstpartikel zurückhalten. Auch in Kläranlagen, die kein Ozon als Erstdesinfektionsmittel verwenden, werden auf diese Weise einige Schadorganismen eingefangen. Die Filterschichten werden periodisch rückgespült, um das eingeschlossene Material zu entfernen.

Adsorption

• 8 In einigen Anlagen wird das Wasser durch ein Bett aus Aktivkohlegranulat geleitet. Chemische Verunreinigungen im Wasser haften in einem als Kohlenstoffadsorption bekannten Prozess an der Oberfläche der Holzkohle.

Belüften

• 9 In einigen Gebieten, in denen das Wasser unerwünschte Mengen an Eisen und Mangan oder bestimmten gelösten Gasen enthält, wird das Wasser aus großen Becken in die Luft gesprüht, um sie zu belüften. Wenn sich das Wasser mit der Luft vermischt, nimmt es Sauerstoff auf, wodurch sich einige der Verunreinigungen absetzen. Andere Verunreinigungen werden durch Verdunstung entfernt.

Fluoridierung

• 10 In einigen Wasseraufbereitungsanlagen wird dem Wasser ein Fluoes-Ride-Mittel zugesetzt, um Karies vorzubeugen. Fluorid kommt natürlicherweise in einigen Wasservorräten vor und zusätzliche Mengen sind nicht erforderlich. In der Vergangenheit war die Fluoridierung ein heiß diskutiertes Thema, und nicht jede Gemeinde fügt ihrem Wasser Fluorid hinzu.

Neutralisieren

• 11 Andere Chemikalien können dem Wasser zugesetzt werden, um die Korrosion in Rohren und Sanitärinstallationen zu reduzieren. Dies geschieht durch Zugabe kontrollierter Mengen bestimmter Chemikalien, um den pH-Wert auf ein neutrales Niveau einzustellen.

Verteilen

• 12 Wenn das Wasser die Kläranlage verlässt, erhält es eine kleine Dosis Chlor oder Chloramin, um schädliche Bakterien abzutöten, die möglicherweise in das Verteilungssystem gelangt sind. Wenn die Anlage kein Ozon als Erstdesinfektionsmittel verwendet, wird dem Wasser eine größere Menge Chlor oder Chloramin zugesetzt.
• 13 Nachdem das Wasser die Anlage verlassen hat, wird es in der Regel in überdachten Tanks oder Reservoirs gelagert, um es vor Verunreinigungen zu schützen. In einigen Gebieten liegen diese Speicher höher als das umgebende Gelände und das Wasser wird in den Tank oder das Reservoir gepumpt. Diese erhöhte Speicherposition liefert den notwendigen Druck für einen ausreichenden Durchfluss durch die Wasserleitungen und -rohre innerhalb der Stadt. In anderen Fällen wird das Wasser in ebenerdigen Anlagen gespeichert und der Druck durch bedarfsgesteuerte Elektropumpen bereitgestellt.

Qualitätskontrolle

Die Wasserqualitätsnormen des Bundes und der Länder legen Höchstwerte für die Kontamination von mehr als 90 organischen, anorganischen, mikrobiologischen und radioaktiven Stoffen fest, die im Wasser vorkommen können. Diese Standards sind weiter unterteilt in Primärstandards, die Materialien abdecken, die für den Menschen schädlich sein können, und Sekundärstandards, die Materialien und Eigenschaften abdecken, die ästhetische Qualitäten wie Geschmack, Geruch und Aussehen beeinträchtigen können. Ein typischer Wasserbezirk kann jedes Jahr mehr als 50.000 chemische und bakteriologische Analysen der Wasserversorgung durchführen, um sicherzustellen, dass die Standards eingehalten werden.

Die Zukunft

Die Sorge der Öffentlichkeit um sicheres Trinkwasser wird voraussichtlich in Zukunft zu noch strengeren Wasserqualitätsstandards führen. Ironischerweise handelt es sich bei einer der jüngsten Bedenken nicht um eine Kontamination von außen, sondern um die Auswirkungen einer der üblicherweise zur Desinfektion von Wasser verwendeten Substanzen – Chlor. Studien der letzten 30 Jahre haben gezeigt, dass Chlor mit den im Wasser vorkommenden organischen Stoffen bestimmte Verbindungen eingeht. Die gebräuchlichsten Verbindungen werden Trihalogenmethane oder THMs genannt, die bei Einnahme oder Inhalation über einen langen Zeitraum ein Krebsrisiko von 1 zu 10.000 haben. Eine Alternative zur Verwendung von Chlor ist Chloramin, eine Kombination aus Ammoniak und Chlor, die weniger leicht THMs bildet. Viele Kläranlagen haben bereits auf Chloramin umgestellt. Andere alternative Desinfektionsmittel sind Ozon, ultraviolettes Licht, Chlordioxid und ein Hybrid aus Ozon und Wasserstoffperoxid namens Peroxon.